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Facultad de Ingeniería y Arquitectura

PROPIEDADES HIDRÁULICAS DE LOS SUELOS

Mecánica de suelos I Cajamarca, mayo del 2011


Capilaridad

El proceso

de

capilaridad

es el

ascenso

que tiene el

agua

cuando se

introduce

verticalment

e un tubo de

vidrio de

diámetro

pequeño

(desde

unos

milímetros

hasta

micras de

tamaño) en

un depósito

lleno de

agua, el

agua sube

en el tubo

hasta una

determinada

altura y se

forma un

menisco cóncavo, esta altura es inversamente

proporcional al diámetro del tubo.

La altura capilar que alcanza el agua en el suelo, se

determina considerando una masa de suelo con una

gran red de tubos capilares formados por los vacíos

existentes en su masa.



capilaridad en suelos

Al contrario de los tubos capilares, los vacíos en

suelos tienen ancho variable y se comunican entre sí

formando un enrejado. Si este enrejado se comunica

por abajo con el agua, su parte inferior se satura

completamente. Más arriba el agua solo ocupa los

vacios pequeños y los mayores quedan con aire.



El agua capilar es la fracción del agua que ocupa los microporos, se

mantiene en el suelo gracias a las fuerzas derivadas de la tensión

superficial del agua. Es aquella que se eleva sobre el nivel de agua

libre gravitacional, es decir por encima del nivel en el cual la presión

es igual a la atmosférica, hasta la zona de aireación no saturada.



En conclusión podemos decir que la capilaridad del agua dentro de un

suelo, produce unos esfuerzos de tensión, los cuales generarán la

compresión de este. Para que se presente la capilaridad del agua freática

en un suelo, se debe tener en cuenta que el suelo debe ser fino, de tal

manera que los poros que haya entre las partes sólidas del suelo, sea tan

pequeño como un tubo capilar. Si tenemos un suelo como una grava

gruesa, no se producirá el fenómeno de capilaridad, por lo que estos

suelos se utilizan en la construcción cuando se tienen niveles freáticos

altos.



problemas de capilaridad en la construcción

Una de los grandes problemas que tiene el proceso de capilaridad del

agua freática en la construcción, es que al subir esta agua, se

humedecen los cimientos de las diferentes estructuras, provocando la

corrosión del acero de refuerzo en los cimientos, y algunas veces esta

agua freática, cuando los niveles son muy altos, alcanza a subir por

capilaridad a las paredes de la edificación, generándose problemas en

los ladrillos y los acabados de la edificación. Una solución a este

problema es cambiar el suelo sobre el que descansa el cimiento, por

un suelo más grueso, que no permita la capilaridad del agua freática.



En la construcción de calles, carreteras, autopistas, pistas de

aterrizaje es importante tener en cuenta el agua capilar existente en

el terreno de fundación que queda encima de la napa freática. Una

solución al problema es colocar capas granulares sobre la

subrasante, lo cual impide la capilaridad del agua freática.



En suelos de granulometría fina (limos, arcillas) los vacíos son de

diámetro reducido por lo tanto la altura capilar es mayor y en los suelos

de granulometría gruesa la altura capilar es menor.



Fuerzas de cohesión y de adhesión

Las moléculas superficiales del líquido abierto al aire, que se encuentran

en la inmediata vecindad con la pared

fuerzas de 2 tipos: cohesión y adhesión.

sólida están solicitadas por

• La cohesión: atracción entre moléculas

iguales (en este caso es debida a la

acción de las restantes moléculas del

líquido).

La adhesión: atracción entre moléculas

diferentes (en este caso es ejercida por

•

las moléculas de las paredes del

recipiente).Mecánica de suelos I Cajamarca, mayo del 2011


Si las fuerzas de adhesión son mayores que las de cohesión, se forman

los meniscos cóncavos, en cambio si las fuerza de cohesión son mayores

que las de adhesión, se forman los meniscos convexos.

La forma de los meniscos (cóncavos o convexos) dependen de la

naturaleza del líquido y del material que constituya la pares del recipiente,

por ejemplo el agua forma meniscos cóncavos con el vidrio, en cambio el

mercurio forma meniscos convexos con el vidrio.

El ángulo que forma el menisco con la

pared del recipiente se denomina ángulo

de contacto y se representa por



Ángulo de contacto α

El ángulo de contacto es el ángulo en el cual entran en contacto una

interfase líquida/gaseosa con una superficie sólida, el ángulo de

contacto es específico para un sistema dado y está determinado por las

interacciones entre las interfaces participantes. El ángulo de contacto

se mide con un aparato llamado goniómetro.

Si < 90° el menisco es cóncavo,

y si > 90° el menisco es

seconvexo.

aproxima

El valor de

a 0° entre el vidrio limpio

húmedo y agua destilada



La capilaridad es el fenómeno debido a la tensión superficial, en

virtud del cual un líquido asciende por tubos de pequeño

diámetro y por entre láminas muy próximas.



Tensión superficial

Las moléculas de la

capa superior del

agua están por una

parte atraídas entre

si y por otra parte

atraídas por las

moléculas de la

capa inferior

formándose en la

superficie como una

película que es

difícil de romper. La

energía necesaria

para romper esta

capa por unidad de

área se conoce

como tensión

superficial.



La tensión superficial es responsable de la resistencia que un líquido

presenta a la penetración de su superficie, de la tendencia a la forma

esférica de las gotas de un líquido, del ascenso de los líquidos en los

tubos capilares y de la flotación de objetos u organismos en la

superficie de los líquidos.



Tensión superficial

Se denomina tensión superficial al fenómeno por el cual la superficie de

un líquido tiende a comportarse como si fuera una delgada película

elástica . La superficie, en vez de aplanarse, tiende a curvarse, para que

toda ella contenga el mínimo posible de energía.

A nivel microscópico, la tensión superficial se debe a que las fuerzas que

afectan a cada molécula

superficie. Así en el seno

fuerzas de atracción que

son diferentes en el interior del líquido y en la

de un líquido cada molécula está sometida a

en promedio se anulan. Esto permite que la

molécula tenga una energía bastante baja. Sin embargo, en la superficie

hay una fuerza neta hacia el interior del liquido.


ncipal


Rigurosamente, si en el exterior del líquido se tiene un gas, existirá una

mínima fuerza hacia el exterior, aunque en la realidad esta fuerza es

despreciable debido a la gran diferencia de densidades

el gas.

entre el líquido y

La tensión superficial tiene como pri

efecto la tendencia del líquido a disminuir

en lo posible su superficie para un

volumen dado, de aquí que un líquido en

ausencia de gravedad adopte la forma

esférica, que es la que tiene menor

relación área/volumen.



Energéticamente, las moléculas situadas en la superficie tiene una mayor

energía promedio que las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia del

sistema

número

hasta el

será a disminuir la energía total, y ello se logra disminuyendo el

de moléculas situadas en la superficie, de ahí la reducción del área

mínimo posible.

La tensión superficial es la fuerza que actúa paralelamente a la superficie del

agua, esta tensión es debida

encuentra desequilibrada en la

agua en los pros del suelo.

a la atracción molecular de agua que se

superficie de separación entre el aire y el

El valor de la tensión superficial se considera 0.075 gr/cm



La fuerza que jala hacia arriba es la componente vertical de la tensión

superficial Ts. La tensión superficial es la fuerza que actúa sobre la

superficie de un liquido en contacto con un gas actúa para minimizar su

área. Si el ángulo entre el menisco y la pared del tubo es a entonces la

fuerza hacia arriba es Ts * Cosa.



El agua en la arena se mueve hacia arriba de la superficie freática en la

columna de arena. Las trayectorias entre los granos actúan como

capilares. De esto se sigue que el agua puede fluir hacia arriba dado

que la presión en estas zona es menor que la atmosférica

Materiales con componentes finos ocasionan que el agua fluya hacia

arriba mas allá que lo que podría hacer el agua en materiales con

componentes mas gruesos

Si un suelo tiene una mezcla de componentes de distintos tamaños, la

tendencia del agua será moverse mas arriba en la zona donde los

componentes sean más finos



Tension superficial

El trabajo necesario para aumentar el área de una superficie líquida,

resulta ser experimentalmente proporcional al aumento, definiéndose

como coeficiente de tensión superficial la relación entre ambos

conceptos.

Ts = dw /dA

dw = diferencial de trabajo

dA = diferencial de área



Cuando un líquido presenta al aire una superficie curva, se genera en ese

menisco curvo un desnivel de presión, de modo que la presión en el lado

convexo es siempre menor que la existente en el lado cóncavo.

En el lado convexo del tubo existe la presión p, mientras en el cóncavo

existe la presión pa (presión atmosférica), de modo que:

P = pa – 2Ts

R



Ascensión capilar

La ascensión

capilar del agua

en un suelo que

se encuentra

sobre el nivel

freático

subterráneo se

debe al efecto

combinado de la

tensión capilar y la

presión

hidrostática. Luego

la altura capilar se

determina

igualando la

presión hidrostática

y la tensión capilar

máxima.



La altura capilar del agua en un tubo capilar de vidrio se determina:

La presión P2 en el punto

que el agua ascienda es:

M antes de

P2 = pa – 2TsR

Además se sabe que

Cos = rR

R = rcos

P2 = pa – 2Ts cos r



pero cuando asciende y se alcanza

atmosférica, luego se tendrá:

el equilibrio la presión en M1 debe ser la

Presión en M1 es P2 + w h

Pa = P2 + w h

Luego

pa =

reemplazando P2 ,se tiene

pa – 2Ts cos + w h

r

esfuerzo de tensión

u = h w

El esfuerzo de tensión del agua en cualquier punto de la columna está dado

por el producto de la distancia vertical del punto a la superficie libre del

líquido y el peso específico del mismo.



h = 2Ts cos r w

h = altura que debe ascender el agua en el tubo capilar

Ts = tensión superficial

r = radio del tubo capilar

= ángulo de contacto

peso específico del agua

w =

En el caso del contacto agua –aire, la tensión superficial se

considera Ts = 0.074 gr/cm. ( Ts = 73 dinas/cm)



En realidad Ts varía con la temperatura del agua y no tiene valor fijo,

el valor anterior corresponde

parte en el lado de agua sobre

aproximadamente a 20°

que

C, por otra

vidrio húmedo se vio el ángulo de

contacto es nulo, luego:

h = 2 Tsr

h = 2 Ts * 2 = 4 Ts = 4 Tsr * 2 2 r D

si Ts = 0.074

h = 4 * 0.074 = 0.3D D



Altura capilar en el suelo

La altura capilar de un suelo, se puede estimar hc en centímetros, en

función de la relación de vacios y del diámetro efectivo de las partículas

hc = c .

e D10

C: constante que varía de 0.1 a 0.5

e : relación de vacíos

D10: tamaño efectivo



Contracción de suelos finos por efecto de la capilaridad

Si el suelo está saturado, el agua ejerce una fuerza de

separación entre las partículas sólidas del suelo (presión

hidrostática). Luego el suelo empieza a secarse por

cualquier causa, que generalmente es el calentamiento

por

el sol, y el agua que hay en el suelo se evapora, la masa de suelo trata de

tomar

bajar,

su nivel freático normal, de esta manera las aguas empiezan a

creándose una presión capilar dentro del suelo, lo que produce

esfuerzos de compresión en el suelo, pasando este de la presión

hidrostática (cuando el suelo estaba saturado), a un esfuerzo de tensión

superficial (al tener el fenómeno de capilaridad del agua). De esta manera

el suelo entra en un proceso de contracción.



Hay que tener en cuenta que el suelo debe ser un suelo fino, para

poder producir el proceso de capilaridad, y de esta manera crear la

tensión superficial necesaria para que el suelo se contraiga. El proceso

de la retracción del agua hacia el interior no se hará simultáneamente

en toda la masa de suelo, debido a que la masa de suelo tiene

diferentes diámetros de poros, produciendo tubos capilares de

diferentes diámetros, bajando primero el agua que se encuentra en

canalículos más gruesos (Especie de tubos capilares formados por

poros del suelo).

los

los


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